KR20200134258A - Copper-ceramic substrate - Google Patents

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KR20200134258A
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Abstract

본 발명은 구리-세라믹 기판(1)에 관한 것으로서, 구리-세라믹 기판(1)은 - 세라믹 캐리어(2), 및 - 전도체 구조물을 형성하기 위한 및/또는 본딩 와이어를 고정하기 위한 자유 표면을 가지는, 세라믹 캐리어(2)의 표면에 본딩되는 적어도 하나의 구리 층(3, 4)을 포함하고, 구리 층(3, 4)은 200 내지 500 ㎛, 바람직하게 300 내지 400 ㎛의 평균 입자 크기 직경을 가지는 미세조직을 갖는다.The present invention relates to a copper-ceramic substrate 1, wherein the copper-ceramic substrate 1 has-a ceramic carrier 2, and-a free surface for forming a conductor structure and/or for fixing the bonding wires. , At least one copper layer (3, 4) bonded to the surface of the ceramic carrier (2), the copper layer (3, 4) has an average particle size diameter of 200 to 500 ㎛, preferably 300 to 400 ㎛ Branches have a microstructure.

Figure P1020207029614
Figure P1020207029614

Description

구리-세라믹 기판Copper-ceramic substrate

본 발명은 제1항에 따른 전제부의 특징을 갖는 구리-세라믹 기판에 관한 것이다.The present invention relates to a copper-ceramic substrate having the features of the preamble according to claim 1.

구리-세라믹 기판(예를 들어, DCB, AMB)은 예를 들어 전자 전력 모듈을 제조하기 위해서 사용되고, 일 측면 또는 양 측면 상에서 구리 층을 갖는 세라믹 캐리어(carrier)의 복합체이다. 구리 층은 일반적으로 0.1 내지 1.0 mm의 구리 호일 형태의 반-제품의(semi-finished) 구리 제품으로 미리 제조되고, 연결 방법을 이용하여 세라믹 캐리어에 연결된다. 상기 연결 방법은 또한 DCB(직접적인 구리 본딩) 또는 AMB(활성 금속 브레이징)으로서 알려져 있다. 그러나, 높은 강도의 세라믹 캐리어의 경우에, 보다 더 두꺼운 두께를 갖는 구리 플라이(copper ply) 또는 구리 층이 또한 도포될 수 있고, 이는 기본적으로 전기적 및 열적 특성과 관련하여 유리하다. Copper-ceramic substrates (eg, DCB, AMB) are used to manufacture electronic power modules, for example, and are composites of ceramic carriers with copper layers on one or both sides. The copper layer is pre-made from a semi-finished copper product in the form of a copper foil, usually 0.1 to 1.0 mm, and is connected to the ceramic carrier using a connection method. This connection method is also known as DCB (direct copper bonding) or AMB (active metal brazing). However, in the case of a high strength ceramic carrier, a copper ply or a layer of copper having a thicker thickness can also be applied, which is basically advantageous in terms of electrical and thermal properties.

예를 들어, 멀라이트, Al2O3, Si3N4, AlN, ZTA, ATZ, TiO2, ZrO2, MgO, CaO, CaCO3, 또는 이러한 재료 중 적어도 2개의 혼합물로 제조된 세라믹 판이 세라믹 캐리어로서 사용된다.For example, a ceramic plate made of mullite, Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , AlN, ZTA, ATZ, TiO 2 , ZrO 2 , MgO, CaO, CaCO 3 , or a mixture of at least two of these materials is ceramic. It is used as a carrier.

DCB 방법에서, 구리 플라이가 이하의 방법 단계를 이용하여 세라믹 기부에 연결된다:In the DCB method, a copper ply is connected to the ceramic base using the following method steps:

- 균일한 구리 산화물 층을 초래하는 방식으로 구리 플라이를 산화시키는 단계;-Oxidizing the copper ply in a way that results in a uniform copper oxide layer;

- 구리 플라이를 세라믹 캐리어 상에 배치하는 단계;-Placing the copper ply on the ceramic carrier;

- 복합체를 1060 ℃ 내지 1085 ℃의 프로세스 온도로 가열하는 단계.-Heating the composite to a process temperature of 1060 °C to 1085 °C.

이는, 구리 플라이에서의 공정 용융(eutectic melt)을 생성하고, 이는 세라믹 캐리어와의 물질-대-물질 본드를 형성한다. 이러한 프로세스가 본딩으로 알려져 있다. Al2O3가 세라믹 캐리어로서 사용되는 경우에, 얇은 Cu-Al 스피넬 층(spinel layer)이 본딩에 의해서 생성된다.This creates a eutectic melt in the copper ply, which forms a material-to-material bond with the ceramic carrier. This process is known as bonding. When Al 2 O 3 is used as the ceramic carrier, a thin Cu-Al spinel layer is produced by bonding.

본딩 프로세스 이후에, 외측에 대면되는 구리 플라이의 표면, 즉 구리 플라이의 자유 표면을 에칭하는 것에 의해서, 필요한 전도체 트랙이 구조화된다. 이어서, 칩이 납땜되고, 본딩 와이어를 도포하는 것에 의해서 칩의 각각의 상부 측면 상의 콘택에 대한 연결이 이루어지고, 이러한 목적을 위해서 구리 층의 자유 표면의 미세조직은 균질하여야 하고 가능한 한 정밀하게 구조화되어야 한다. 이어서, 전력 모듈을 생산하기 위해서, 구리-세라믹 기판이 기부 판에 부가적으로 연결될 수 있다.After the bonding process, the required conductor tracks are structured by etching the outer facing surface of the copper ply, ie the free surface of the copper ply. Subsequently, the chip is soldered and a connection to the contact on each upper side of the chip is made by applying a bonding wire, and for this purpose the microstructure of the free surface of the copper layer should be homogeneous and structured as precisely as possible. Should be. Then, in order to produce the power module, a copper-ceramic substrate may be additionally connected to the base plate.

설명된 구리-세라믹 기판의 장점은, 무엇 보다도, 구리의 큰 전류-이송 능력, 및 세라믹 캐리어로부터의 양호한 전기적 절연 및 기계적 지지에 있다. 또한, DCB 기술은 구리 플라이가 세라믹 캐리어에 양호하게 부착될 수 있게 한다. 또한, 사용되는 구리-세라믹 기판은, 적용예에서 종종 존재하는 높은 주변 온도에서 안정적이다.The advantages of the described copper-ceramic substrate are, among other things, the large current-carrying ability of copper, and good electrical insulation and mechanical support from the ceramic carrier. In addition, the DCB technology allows the copper ply to adhere well to the ceramic carrier. In addition, the copper-ceramic substrates used are stable at the high ambient temperatures often present in applications.

구리-세라믹 기판의 약점은, 특정 수의 일시적인 열 유도 응력 후의 구성요소의 고장을 설명하는 재료 매개변수인, 소위 열 충격 저항성이다. 이러한 매개변수는 전력 모듈의 유효 수명에 있어서 중요한데, 이는 모듈의 동작 중에 극단적인 온도 구배가 초래되기 때문이다. 사용되는 세라믹 재료 및 구리 재료의 상이한 열 팽창 계수들로 인해서, 구리-세라믹 기판에서의 사용 중에 기계적 응력이 열적으로 유도되고, 이는, 특정 수의 사이클 이후에, 세라믹 층으로부터 구리 층의 층 분리(delamination) 및/또는 세라믹 층 및/또는 구리 층 내의 균열을 초래하고, 그에 따라 구성요소의 고장을 초래할 수 있다.The weakness of copper-ceramic substrates is the so-called thermal shock resistance, a material parameter that accounts for the failure of a component after a certain number of transient thermal induced stresses. These parameters are important to the useful life of the power module, as extreme temperature gradients result during module operation. Due to the different coefficients of thermal expansion of the ceramic material and copper material used, mechanical stress is thermally induced during use in a copper-ceramic substrate, which, after a certain number of cycles, causes the layer separation of the copper layer from the ceramic layer ( delamination) and/or cracking in the ceramic layer and/or the copper layer, resulting in component failure.

일반적으로, 미세한 미세조직을 갖는 구리 층을 가지는 구리-세라믹 기판은, 일반적으로 광학적 검사, 본딩 능력, 에칭 거동, 입계 형성, 아연 도금성(galvanisability), 및 추가적인 프로세싱과 관련하여 장점을 갖는다는 점에서 유리하다. 그러나, 온도 요동의 경우에 큰 열적 유도 응력으로 인해서, 유효 수명이 짧아지고 온도 변화에 대한 좋지 못한 저항성을 갖는다는 단점을 갖는다.In general, copper-ceramic substrates having a copper layer with a fine microstructure generally have advantages with respect to optical inspection, bonding ability, etching behavior, grain boundary formation, galvanisability, and further processing. Is advantageous in However, in the case of temperature fluctuations, due to the large thermal induced stress, the useful life is shortened and has a disadvantage of having poor resistance to temperature changes.

역으로, 조대한(coarser) 미세조직을 갖는 구리 층을 가지는 구리-세라믹 기판은 긴 유효 수명의 장점을 가지나, 전술한 부가적인 요건과 관련된 단점을 갖는다.Conversely, a copper-ceramic substrate having a copper layer with a coarser microstructure has the advantage of a long useful life, but has the disadvantages associated with the additional requirements described above.

DE 10 2015 224 464 A1은, 세라믹 캐리어에 대면되는 측면 상의 구리 층의 미세조직이 자유표면에서보다 큰 입자 크기를 의도적으로 가지는, 구리-세라믹 기판을 개시한다.DE 10 2015 224 464 A1 discloses a copper-ceramic substrate in which the microstructure of the copper layer on the side facing the ceramic carrier intentionally has a larger particle size than at the free surface.

이러한 해결책의 장점은, 미세조직의 작은 입자 크기로 인해서, 자유 표면 상의 구리 층이 약간(lightly) 그리고 매우 미세하게 구조화될 수 있는 한편, 세라믹 캐리어에 대면되는 측면 상의 구리 층은, 더 큰 입자 크기로 인해서, 홀-페치(Hall-Petch) 관계식에 따라 보다 양호한 열 충격 저항성을 갖는다는 사실에서 확인될 수 있다. 그에 따라, 구리-세라믹 기판은, 전술한 상이한 요건들과 관련하여 보다 양호한 특성을 갖는 방식으로 개선될 수 있다. 구리 층의 양 측면 상에서의 목표로 하는 입자 크기의 선택은, 구리-세라믹 기판이 양 요건들과 관련하여 개선된 방식으로 설계될 수 있게 하는, 새로운 설계 매개변수를 생성한다.The advantage of this solution is that due to the small particle size of the microstructure, the copper layer on the free surface can be structured lightly and very finely, while the copper layer on the side facing the ceramic carrier, the larger particle size. Due to this, it can be confirmed from the fact that it has better thermal shock resistance according to the Hall-Petch relationship. Accordingly, the copper-ceramic substrate can be improved in a way that has better properties with respect to the different requirements described above. The selection of the target particle size on both sides of the copper layer creates a new design parameter that allows the copper-ceramic substrate to be designed in an improved manner with respect to both requirements.

이러한 해결책의 단점은, 상이한 입자 크기들의 구현이 부가적인 노력을 필요로 한다는 사실에서 확인될 수 있다. 예를 들어, 상이한 입자 크기들을 실현하기 위해서, 상이한 입자 크기들을 갖는 2개의 상이한 구리 층들을 도금하는 것에 의해서 구리 층을 생산하는 것을 생각할 수 있고, 이는 비용과 관련되는 부가적인 작업 부하를 나타낸다. 결과적으로, DE 10 2015 224 464 A1의 구리-세라믹 기판은 더 고가가 되고, 그에 따라 더 높은 가격을 감당할 수 있는 특별한 적용예에만 적합하다.A disadvantage of this solution can be seen in the fact that the implementation of different particle sizes requires additional effort. For example, in order to realize different particle sizes, it is conceivable to produce a copper layer by plating two different copper layers with different particle sizes, which represents an additional workload associated with cost. As a result, the copper-ceramic substrate of DE 10 2015 224 464 A1 becomes more expensive and is therefore suitable only for special applications that can afford a higher price.

이러한 배경과 관련하여, 본 발명의 목적은, 공보 DE 10 2015 224 464 A1으로부터의 구리-세라믹 기판보다 더 비용 효율적으로 생산될 수 있고 그럼에도 불구하고 다양한 요건을 만족시킬 수 있는 구리-세라믹 기판을 제공하는 것이다.In connection with this background, it is an object of the present invention to provide a copper-ceramic substrate that can be produced more cost-effectively than the copper-ceramic substrate from publication DE 10 2015 224 464 A1 and can nevertheless satisfy various requirements. Is to do.

본 발명에 따라, 상기 목적을 달성하기 위해서, 제1항에 따른 전제부의 특징을 갖는 구리-세라믹 기판이 제안된다. 추가적인 바람직한 개선을 종속항에서 확인할 수 있을 것이다.According to the present invention, in order to achieve the above object, a copper-ceramic substrate having the features of the preamble according to claim 1 is proposed. Further desirable improvements will be found in the dependent claims.

본 발명의 기본적인 아이디어에 따라, 구리 층이 200 내지 500 ㎛, 바람직하게 300 내지 400 ㎛의 평균 입자 크기 직경을 갖는 미세조직을 가지는 것이 제안된다.According to the basic idea of the invention, it is proposed that the copper layer has a microstructure with an average particle size diameter of 200 to 500 μm, preferably 300 to 400 μm.

미세조직의 입자는 이러한 경우에 제안된 범위 내의 입자 크기를 가질 필요가 있을 뿐만 아니라; 입자 크기의 분포는 단정 가우스 분포(monomodal Gaussian distribution)에 상응하고, 입자의 작은 비율이 또한 200 또는 500 ㎛ 미만 또는 초과 또는 300 ㎛ 또는 400 ㎛ 미만 또는 초과의 입자 크기를 가질 수 있다. 평균 입자 크기가 제안된 범위 내에 있는 것만이 중요하다. 입자 크기 직경은, 예를 들어, ASTM 112-13에서 설명된 선형 인터셉트 방법(linear intercept method)을 이용하여 결정될 수 있다. 그러나, 1000 ㎛ 보다 큰 입자 크기를 갖는 입자는 어떠한 경우에도 피하여야 한다.The microstructured particles not only need to have a particle size within the suggested range in this case; The distribution of particle size corresponds to a monomodal Gaussian distribution, and a small proportion of the particles may also have a particle size of less than or greater than 200 or 500 μm or less than or greater than 300 μm or 400 μm. It is only important that the average particle size is within the suggested range. The particle size diameter can be determined, for example, using the linear intercept method described in ASTM 112-13. However, particles with a particle size larger than 1000 μm should be avoided in any case.

구리 층의 제안된 미세조직은, 예를 들어 미리 결정된 처리량(throughput) 또는 체류 시간(dwell time)을 준수하는 것 그리고 본딩 프로세스의 선행부 및 후행부(lead and lag)에서의 온도의 선택에 의해서, 또는 또한 별도의 온도 후처리에 의해서, 세라믹 캐리어 상에서의 본딩 중에 직접적으로 실현될 수 있다.The proposed microstructure of the copper layer is, for example, by complying with a predetermined throughput or dwell time and by the choice of temperature at the lead and lag of the bonding process. , Or can also be realized directly during bonding on the ceramic carrier by means of a separate temperature post-treatment.

제안된 구리-세라믹 기판의 장점은 상기 기판이 충분히 긴 유효 수명을 갖는다는 사실에서 확인될 수 있는데, 이는, 평균 입자 크기 직경을 선택하는 것에 의해서 입자가 평균 크기를 가지고, 상기 것에 의해서, 홀-페치 관계식에 따라, 일반적인 사용하에서 발생되는 온도-유도된 교번적인 굽힘 부하 중에 충분히 낮은 응력 레벨이 기판 내에서 실현되어 희망하는 긴 유효 수명을 달성하기 때문이다. 또한, 본딩성을 위한 요건, 광학적 검사를 위한 요건, 전도체 구조물을 도입하기 위해서 필요한 에칭 또는 컷팅 프로세스를 위한 요건, 그리고 부가적인 특정 요건이 충족될 수 있고, 이를 위해서 500 ㎛ 미만 또는 특히 바람직하게 400 ㎛ 미만의 평균 입자 크기가 유리하다.The advantage of the proposed copper-ceramic substrate can be confirmed in the fact that the substrate has a sufficiently long useful life, which by choosing the average particle size diameter, the particles have an average size, and by the above, the hole- This is because, according to the fetch relation, a sufficiently low stress level is realized in the substrate during temperature-induced alternating bending loads occurring under normal use to achieve the desired long useful life. In addition, requirements for bonding properties, requirements for optical inspection, requirements for etching or cutting processes necessary to introduce conductor structures, and additional specific requirements may be met, for this purpose less than 500 μm or particularly preferably 400 An average particle size of less than μm is advantageous.

온도 처리 프로세스 후에 구리 층의 미세조직의 이러한 유리한 특성을 달성하기 위해서,In order to achieve these advantageous properties of the microstructure of the copper layer after the temperature treatment process,

- 구리 층이 -Copper layer

- 적어도 99.95% Cu, 바람직하게 적어도 99.99% Cu의 비율을 갖는 것이 추가적으로 제안된다.It is additionally proposed to have a proportion of at least 99.95% Cu, preferably at least 99.99% Cu.

또한, 구리 층은 바람직하게In addition, the copper layer is preferably

- 25 ppm 이하의 Ag의 비율을 가질 수 있다.-It can have a ratio of Ag less than 25 ppm.

추가적인 바람직한 실시예에 따라, 구리 층은According to a further preferred embodiment, the copper layer is

- 10 ppm 이하, 바람직하게 5 ppm 이하의 O의 비율을 가질 수 있다.-It may have a ratio of O of 10 ppm or less, preferably 5 ppm or less.

구리 층이, 각각의 경우에, 0 내지 1 ppm 이하의 Cd, Ce, Ge, V, Zn 원소의 비율을 갖는 것이 추가적으로 제안되고, It is additionally proposed that the copper layer, in each case, has a proportion of Cd, Ce, Ge, V, Zn elements of 0 to 1 ppm or less,

- 추가적인 바람직한 실시예에 따라, 구리 층은 전체적으로 적어도 0.5 ppm 및 5 ppm 이하의 Cd, Ce, Ge, V, Zn 원소의 비율을 갖는다. -According to a further preferred embodiment, the copper layer as a whole has a proportion of elements Cd, Ce, Ge, V, Zn of at least 0.5 ppm and not more than 5 ppm.

구리 층이, 각각의 경우에, 0 내지 2 ppm 이하의 Bi, Se, Sn, Te 원소의 비율을 갖는 것이 추가적으로 제안되고,It is additionally proposed that the copper layer, in each case, has a ratio of Bi, Se, Sn, Te elements of 0 to 2 ppm or less,

- 추가적인 바람직한 실시예에 따라, 구리 층은 전체적으로 적어도 1.0 ppm 및 8 ppm 이하의 Bi, Se, Sn, Te 원소의 비율을 갖는다. -According to a further preferred embodiment, the copper layer as a whole has a ratio of Bi, Se, Sn, Te elements of at least 1.0 ppm and not more than 8 ppm.

구리 층이, 각각의 경우에, 0 내지 3 ppm 이하의 Al, Sb, Ti, Zr 원소의 비율을 갖는 것이 추가적으로 제안되고,It is additionally proposed that the copper layer, in each case, has a proportion of Al, Sb, Ti, Zr elements of 0 to 3 ppm or less,

- 추가적인 바람직한 실시예에 따라, 구리 층은 전체적으로 적어도 1.0 ppm 및 10 ppm 이하의 Al, Sb, Ti, Zr 원소의 비율을 갖는다.-According to a further preferred embodiment, the copper layer as a whole has a proportion of elements Al, Sb, Ti, Zr of at least 1.0 ppm and not more than 10 ppm.

구리 층이, 각각의 경우에, 0 내지 5 ppm 이하의 As, Co, In, Mn, Pb, Si 원소의 비율을 갖는 것이 추가적으로 제안되고, It is additionally proposed that the copper layer, in each case, has a ratio of elements As, Co, In, Mn, Pb, Si of 0 to 5 ppm or less,

- 추가적인 바람직한 실시예에 따라, 구리 층은 전체적으로 적어도 1.0 ppm 및 20 ppm 이하의 As, Co, In, Mn, Pb, Si 원소의 비율을 갖는다.-According to a further preferred embodiment, the copper layer as a whole has a ratio of elements As, Co, In, Mn, Pb, Si of at least 1.0 ppm and not more than 20 ppm.

구리 층이, 각각의 경우에, 0 내지 10 ppm 이하의 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S 원소의 비율을 갖는 것이 추가적으로 제안되고, It is additionally proposed that the copper layer, in each case, has a proportion of B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S elements of 0 to 10 ppm or less,

- 추가적인 바람직한 실시예에 따라, 구리 층은 전체적으로 적어도 1.0 ppm 및 50 ppm 이하의 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S 원소의 비율을 갖는다.-According to a further preferred embodiment, the copper layer has a proportion of elements B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S as a whole of at least 1.0 ppm and not more than 50 ppm.

구리 층이, 바람직하게 50 ppm 이하의 불순물을 추가적으로 포함하는, 제4 항 내지 제16항에서 언급된 원소의 비율을 가지는 것이 추가적으로 제안된다.It is further proposed that the copper layer has a proportion of the elements referred to in claims 4 to 16, which additionally contains impurities of preferably 50 ppm or less.

이하에서, 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

도 1은 2개의 구리 층을 갖는 본 발명에 따른 구리-세라믹 기판이다.1 is a copper-ceramic substrate according to the present invention with two copper layers.

전력 모듈은 전력 전자기기의 반도체 구성요소이고, 반도체 스위치로서 이용된다. 전력 모듈은, 하나의 하우징 내에서 히트 싱크(heat sink)로부터 전기적으로 절연되는 복수의 전력 반도체들(칩들)을 포함한다. 전력 모듈은, 한편으로 기부 판을 향한 열 전도가 보장되도록 그리고 다른 한편으로 전기적 절연이 보장되도록, 납땜 또는 접착에 의해서 (예를 들어, 세라믹으로 제조된) 전기 절연 판의 금속화된 표면에 도포된다. 금속화된 층 및 절연 판의 복합체는 구리-세라믹 기판으로 지칭되고, 소위 DCB 기술(직접적인 구리 본딩 기술)을 이용하여 산업적인 규모로 실현된다.The power module is a semiconductor component of a power electronic device and is used as a semiconductor switch. The power module includes a plurality of power semiconductors (chips) that are electrically insulated from a heat sink in one housing. The power module is applied to the metallized surface of the electrically insulating plate (e.g. made of ceramic) by soldering or bonding to ensure heat conduction to the base plate on the one hand and electrical insulation on the other. do. The composite of the metallized layer and the insulating plate is referred to as a copper-ceramic substrate, and is realized on an industrial scale using the so-called DCB technology (direct copper bonding technology).

칩들은 얇은 본딩 와이어들을 이용한 본딩에 의해서 접촉된다. 또한, 상이한 기능을 갖는 추가적인 모듈(예를 들어, 센서, 저항기)이 존재할 수 있고 통합될 수 있다.The chips are contacted by bonding using thin bonding wires. In addition, additional modules (eg, sensors, resistors) with different functions may exist and may be integrated.

DCB 기판을 생산하기 위해서, 본딩 프로세스에서 구리 플라이를 이용하여, 세라믹 캐리어들(예를 들어, Al2O3, Si3N4, AIN, ZTA, ATZ)이 서로 상하로 본딩된다. 이러한 프로세스의 준비에서, 구리 플라이는, 세라믹 캐리어 상에 배치되기 전에, (예를 들어, 화학적으로 또는 열적으로) 표면-산화될 수 있고, 그 후에 세라믹 캐리어 상에 배치될 수 있다. 1060 ℃ 내지 1085 ℃의 고온 프로세스에서 연결부가 생성되며, 공정 용융이 구리 플라이의 표면 상에서 생성되고, 이는 세라믹 캐리어와의 연결부를 형성한다. 예를 들어, 알루미늄 산화물(Al2O3) 상의 구리(Cu)의 경우에, 이러한 연결부는 얇은 Cu-Al 스피넬 층으로 구성된다.To produce a DCB substrate, ceramic carriers (eg, Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , AIN, ZTA, ATZ) are bonded up and down to each other using a copper ply in a bonding process. In preparation for this process, the copper plies can be surface-oxidized (eg, chemically or thermally) before being placed on the ceramic carrier, and then placed on the ceramic carrier. In a high temperature process between 1060° C. and 1085° C. a connection is created, and a process melting is created on the surface of the copper ply, which forms a connection with the ceramic carrier. For example, in the case of copper (Cu) on aluminum oxide (Al 2 O 3 ), this connection consists of a thin layer of Cu-Al spinel.

도 1은 세라믹 캐리어(2) 및 2개의 구리 층(3 및 4)을 가지는 본 발명에 따라 추가적으로 개발된 구리-세라믹 기판(1)을 도시한다. 본 발명에 따라 추가적으로 개발된 2개의 구리 층(3 및 4)은 200 내지 500 ㎛, 바람직하게 300 내지 400 ㎛의 평균 입자 크기 직경을 가지는 미세조직을 갖는다.1 shows a copper-ceramic substrate 1 further developed according to the invention with a ceramic carrier 2 and two copper layers 3 and 4. The two copper layers 3 and 4 further developed according to the invention have a microstructure having an average particle size diameter of 200 to 500 μm, preferably 300 to 400 μm.

구리 층(3 및 4)이 각각의 표면 연부 구역(5 및 6) 내의 물질-대-물질 본드에 의해서 세라믹 캐리어(2)에 연결되도록, 구리 층(3 및 4)은, 예를 들어 도입부에서 설명된 DCB 방법에 의해서, 세라믹 캐리어(2)에 연결될 수 있다.The copper layers 3 and 4 are, for example, in the introduction, so that the copper layers 3 and 4 are connected to the ceramic carrier 2 by a material-to-material bond in the respective surface edge regions 5 and 6 By means of the described DCB method, it can be connected to the ceramic carrier 2.

DCB 방법 중에, 구리 층(3 및 4)은 미리-산화된 반-제품의 구리 제품 형태로 세라믹 캐리어(2) 상에 배치되고, 이어서 1060 ℃ 내지 1085 ℃의 프로세스 온도까지 가열된다. 구리 층(3 및 4) 내의 Cu-저급 산화물(Cu-oxydul)이 용융되고, 표면 연부 구역들 내에서 세라믹 캐리어(2)와 함께 연결부를 형성한다. 온도 및 2개의 구리 재료의 재결정의 영향으로 인해서, 바람직한 평균 입자 크기 직경이 자동적으로 셋팅되도록 적절한 체류 시간 및 냉각 시간을 선택하는 것에 의해서, 미세조직이 셋팅될 수 있다. 냉각 프로세스를 포함하는 온도 처리의 영향이 당업자에게 잘 알려져 있기 때문에, 당업자는, 추가적인 온도 처리를 필요로 하지 않고도 미세조직이 본 발명에 따라 형성되도록 매개변수들을 구체적으로 선택할 수 있다. 본딩 프로세스가 상기 셋팅을 허용하지 않는 경우에 또는 이러한 것이 경제적인 이유로 바람직하지 않은 경우에, 미세조직은 또한 후속하여 실시되는 또는 미리 실시되는 온도 처리에 의해서 달성될 수 있다. 또한, 구리 층(3 및 4)은 바람직하게 본딩 후에 40 내지 100의 비커스 경도(Vickers hardness)를 갖는다.During the DCB method, the copper layers 3 and 4 are placed on a ceramic carrier 2 in the form of a pre-oxidized semi-finished copper product and then heated to a process temperature of 1060°C to 1085°C. The Cu-oxydul in the copper layers 3 and 4 melts and forms a connection with the ceramic carrier 2 in the surface edge regions. Due to the influence of temperature and recrystallization of the two copper materials, the microstructure can be set by selecting an appropriate residence time and cooling time so that the desired average grain size diameter is automatically set. Since the effects of temperature treatment including cooling processes are well known to those skilled in the art, one of ordinary skill in the art can specifically select parameters such that a microstructure is formed in accordance with the present invention without the need for additional temperature treatment. In case the bonding process does not allow the above setting, or if this is not desirable for economic reasons, the microstructure can also be achieved by means of a temperature treatment carried out subsequently or carried out in advance. Further, the copper layers 3 and 4 preferably have a Vickers hardness of 40 to 100 after bonding.

본 발명에 따른 미세조직을 가지는 또는 본 발명에 따라 제안된 비율을 가지는 그리고 특히 제안된 O의 비율을 가지는 구리 층(3 및 4)은 매우 전도적인 Cu 재료이고, 50 MS/m, 바람직하게 적어도 57 MS/m 그리고 특히 바람직하게 적어도 58 MS/m의 전도도를 갖는다. 그러나, 그보다 낮은 전도도의 재료가 또한 고려될 수 있다. 또한, 구리 층(3 및 4)의 재료 특성이 추가적으로 개선되고 그에 의해서 본 발명에 따른 미세조직이 부정적인 영향을 받지 않는다면, 구리 층(3 및 4)은 또한, 필요한 경우에, 추가적인 Cu 재료 또는 층에 의해서 보충될 수 있다.The copper layers 3 and 4 having the microstructure according to the invention or having the ratio proposed according to the invention and in particular the proposed ratio of O are very conductive Cu materials, 50 MS/m, preferably at least 57 MS/m and particularly preferably at least 58 MS/m. However, materials of lower conductivity may also be considered. In addition, if the material properties of the copper layers 3 and 4 are further improved and thereby the microstructure according to the invention is not negatively affected, the copper layers 3 and 4 are also, if necessary, additional Cu materials or layers. Can be supplemented by

구리 층(3 및 4)의 반-제품의 구리 제품이 0.1 내지 1.0 mm의 두께를 가질 수 있고, 큰 치수로 세라믹 캐리어(2) 상에 배치되고 DCB 방법에 의해서 세라믹 캐리어(2)에 연결된다. 이어서, 큰 면적의 구리-세라믹 기판(1)이 더 작은 유닛들로 컷팅되고 추가적으로 프로세스된다.The semi-finished copper products of the copper layers 3 and 4 can have a thickness of 0.1 to 1.0 mm, are placed on the ceramic carrier 2 in large dimensions and connected to the ceramic carrier 2 by the DCB method. . Subsequently, a large area copper-ceramic substrate 1 is cut into smaller units and further processed.

구리 층(3 및 4)은 적어도 99.95% Cu, 바람직하게 적어도 99.99% Cu, 25 ppm이하의 Ag, 10 ppm 이하 또는 바람직하게 5 ppm 이하의 O를 추가적으로 가질 수 있다.The copper layers 3 and 4 may additionally have at least 99.95% Cu, preferably at least 99.99% Cu, 25 ppm or less Ag, 10 ppm or less or preferably 5 ppm or less O.

또한, 구리 층(3 및 4)은, 각각의 경우에, 0 내지 1 ppm 이하의 Cd, Ce, Ge, V, Zn 원소의 비율, 및/또는 각각의 경우에, 0 내지 2 ppm의 Bi, Se, Sn, Te 원소의 비율, 및/또는 각각의 경우에, 0 내지 3 ppm 이하의 Al, Sb, Ti, Zr 원소의 비율, 및/또는 각각의 경우에 0 내지 5 ppm 이하의 As, Co, In, Mn, Pb, Si 원소의 비율, 및/또는 각각의 경우에 0 내지 10 ppm 이하의 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S 원소의 비율을 가질 수 있다. 나열된 부가적인 원소들은, 주조 직후의 용융 프로세스 중에 도핑에 의해서 미세조직 내로 의도적으로 도입될 수 있거나, 상기 원소들은 반-제품의 구리 제품의 생산 중에 구리 층(3 및 4) 내에 이미 존재할 수 있다. 어떠한 경우에도, 부가적인 불순물을 포함한, 상기 원소의 비율은 바람직하게 50 ppm 이하여야 한다.Further, the copper layers 3 and 4 are in each case 0 to 1 ppm or less of the ratio of Cd, Ce, Ge, V, Zn elements, and/or in each case, 0 to 2 ppm Bi, The proportion of elements Se, Sn, Te, and/or in each case, 0 to 3 ppm or less of the Al, Sb, Ti, Zr elements, and/or in each case 0 to 5 ppm or less As, Co , In, Mn, Pb, Si elements, and/or in each case 0 to 10 ppm or less of B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S elements. The additional elements listed may be intentionally introduced into the microstructure by doping during the melting process immediately after casting, or the elements may already be present in the copper layers 3 and 4 during the production of semi-finished copper products. In any case, the proportion of the element, including additional impurities, should preferably be 50 ppm or less.

또한, 추가적인 바람직한 실시예에 따른 구리 층은 적어도 0.5 ppm 및 5 ppm 이하의 Cd, Ce, Ge, V, Zn 원소의 비율, 적어도 1.0 ppm 및 8 ppm 이하의 Bi, Se, Sn, Te 원소의 비율, 적어도 1.0 ppm 및 10 ppm 이하의 Al, Sb, Ti, Zr 원소의 비율, 적어도 1.0 ppm 및 20 ppm 이하의 As, Co, In, Mn, Pb, Si 원소의 비율, 전체적으로 적어도 1.0 ppm 및 50 ppm 이하의 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S 원소의 비율을 갖는다.In addition, the copper layer according to a further preferred embodiment has a ratio of Cd, Ce, Ge, V, Zn elements of at least 0.5 ppm and 5 ppm or less, and a ratio of Bi, Se, Sn, Te elements of at least 1.0 ppm and 8 ppm or less. , At least 1.0 ppm and 10 ppm or less of Al, Sb, Ti, Zr elements, at least 1.0 ppm and 20 ppm or less of As, Co, In, Mn, Pb, Si elements, at least 1.0 ppm and 50 ppm in total It has the following ratio of B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, and S elements.

본원에서 설명된 원소의 정량적인 비율은 본 발명에 따라 제안된 미세조직의 평균 입자 크기를 달성하는데 있어서 필수적이다. 미세조직 형성은 특히, 원소에 의해서 유발되는 미세조직의 입자 개선 및 본딩 프로세스 중의 미세조직 내의 이차적인 재결정의 감소로 인해서 유발된다. 예를 들어, 원소 As는 재결정 온도를 변화시킬 수 있고 특히 재결정 온도를 증가시킬 수 있고, 그에 따라 미세조직은 더 이상, 평균 입자 크기가 증가되고 그에 따라 제안된 범위를 벗어나게 되는 범위까지, 본딩 프로세스 중에 변화되지 않는다. 또한, Zr 원소는, 온도에 노출될 대 평균 입자 크기를 유지하면서 미세조직을 보전하기 위해서 사용될 수 있는데, 이는 Zr이 외부 시드(external seed)로서 작용하기 때문이다.Quantitative proportions of the elements described herein are essential in achieving the average particle size of the microstructure proposed according to the invention. Microstructure formation is caused, in particular, due to the reduction of secondary recrystallization in the microstructure during the bonding process and grain improvement of the microstructure caused by the element. For example, the element As can change the recrystallization temperature and, in particular, increase the recrystallization temperature, so that the microstructure is no longer in the bonding process, to the extent that the average grain size increases and therefore falls outside the proposed range. Does not change during In addition, the Zr element can be used to preserve the microstructure while maintaining the average particle size when exposed to temperature, because Zr acts as an external seed.

Claims (17)

- 세라믹 캐리어(2), 및
- 전도체 구조물을 형성하기 위한 및/또는 본딩 와이어를 고정하기 위한 자유 표면을 가지는, 상기 세라믹 캐리어(2)의 표면에 본딩되는 적어도 하나의 구리 층(3, 4)을 포함하는, 구리-세라믹 기판(1)에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)이 200 내지 500 ㎛, 바람직하게 300 내지 400 ㎛의 평균 입자 크기 직경을 가지는 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
-Ceramic carrier 2, and
-A copper-ceramic substrate comprising at least one copper layer (3, 4) bonded to the surface of the ceramic carrier (2), having a free surface for forming a conductor structure and/or for fixing the bonding wires In (1),
-A copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have a microstructure having an average particle size diameter of 200 to 500 µm, preferably 300 to 400 µm.
제1항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)이 적어도 50 MS/m, 바람직하게 적어도 57 MS/m 및 특히 바람직하게 적어도 58 MS/m의 전기 전도도를 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method of claim 1,
-A copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layer (3, 4) has an electrical conductivity of at least 50 MS/m, preferably at least 57 MS/m and particularly preferably at least 58 MS/m.
제1항 또는 제2항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)이 40 내지 100의 비커스 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method according to claim 1 or 2,
-A copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have a Vickers hardness of 40 to 100.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리 층(3, 4)이 적어도 99.95% Cu, 바람직하게 적어도 99.99% Cu의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method according to any one of claims 1 to 3,
Copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have a proportion of at least 99.95% Cu, preferably at least 99.99% Cu.
제4항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)이 25 ppm 이하의 Ag의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method of claim 4,
-A copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have a ratio of Ag of 25 ppm or less.
제4항 또는 제5항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)이 10 ppm 이하, 바람직하게 5 ppm 이하의 O의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method according to claim 4 or 5,
-A copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have a ratio of O of 10 ppm or less, preferably 5 ppm or less.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리 층(3, 4)이, 각각의 경우에, 0 내지 1 ppm 이하의 Cd, Ce, Ge, V, Zn 원소의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method according to any one of claims 4 to 6,
A copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have, in each case, a ratio of Cd, Ce, Ge, V, Zn elements of 0 to 1 ppm or less.
제7항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)은 전체적으로 적어도 0.5 ppm 및 5 ppm 이하의 Cd, Ce, Ge, V, Zn 원소의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method of claim 7,
-The copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have a total ratio of Cd, Ce, Ge, V, Zn elements of at least 0.5 ppm and 5 ppm or less.
제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리 층(3, 4)이, 각각의 경우에, 0 내지 2 ppm 이하의 Bi, Se, Sn, Te 원소의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method according to any one of claims 4 to 8,
The copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4), in each case, have a ratio of Bi, Se, Sn and Te elements of 0 to 2 ppm or less.
제9항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)은 전체적으로 적어도 1.0 ppm 및 8 ppm 이하의 Bi, Se, Sn, Te 원소의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method of claim 9,
-The copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have a ratio of Bi, Se, Sn and Te elements of at least 1.0 ppm and 8 ppm as a whole.
제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)이, 각각의 경우에, 0 내지 3 ppm 이하의 Al, Sb, Ti, Zr 원소의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method according to any one of claims 4 to 10,
-A copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have, in each case, a ratio of Al, Sb, Ti and Zr elements of 0 to 3 ppm or less.
제11항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)은 전체적으로 적어도 1.0 ppm 및 10 ppm 이하의 Al, Sb, Ti, Zr 원소의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method of claim 11,
-The copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have a ratio of Al, Sb, Ti and Zr elements of at least 1.0 ppm and 10 ppm or less as a whole.
제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)이, 각각의 경우에, 0 내지 5 ppm 이하의 As, Co, In, Mn, Pb, Si 원소의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method according to any one of claims 4 to 12,
-A copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have, in each case, a ratio of elements As, Co, In, Mn, Pb, Si of 0 to 5 ppm or less.
제13항에 있어서,
상기 구리 층(3, 4)은 전체적으로 적어도 1.0 ppm 및 20 ppm 이하의 As, Co, In, Mn, Pb, Si 원소의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method of claim 13,
The copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) as a whole have a ratio of elements of As, Co, In, Mn, Pb and Si of at least 1.0 ppm and 20 ppm or less.
제4항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)이, 각각의 경우에, 0 내지 10 ppm 이하의 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S 원소의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method according to any one of claims 4 to 14,
-A copper-ceramic substrate, characterized in that the copper layers (3, 4) have a ratio of B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S elements of 0 to 10 ppm or less in each case (One).
제15항에 있어서,
상기 구리 층(3, 4)은 전체적으로 적어도 1.0 ppm 및 50 ppm 이하의 B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S 원소의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method of claim 15,
The copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layers (3, 4) have a ratio of B, Be, Cr, Fe, Mn, Ni, P, S elements of at least 1.0 ppm and 50 ppm or less as a whole.
제4항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 구리 층(3, 4)이, 추가적인 불순물을 포함하여, 50 ppm 이하의, 제7항 내지 제16항에서 언급된 원소의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 구리-세라믹 기판(1).
The method according to any one of claims 4 to 16,
-A copper-ceramic substrate (1), characterized in that the copper layer (3, 4) has a proportion of the elements mentioned in claims 7 to 16, not more than 50 ppm, including additional impurities.
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